PL227143B1 - Turbina wodna - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest turbina wodna przeznaczona w szczególności do wykorzystania hydrozasobów o piętrzeniach najniższych.

Moc strumienia wodnego przechodząca przez wybrany przekrój zależy od iloczynu wysokości H piętrzenia masy wody i wartości natężenia przepływu Q przez ten przekrój przechodzącego. Wartość Q zależy od przepustowości przekroju przepływowego czyli zdolności przepustowej Q uzyskiwalnej w utworzonych warunkach hydraulicznych.

Uzyskanie znaczących mocy turbin lokowanych na piętrzeniach niskich wiąże się z koniecznością przejmowania dużych natężeń przepływów wody co przy niewielkich, osiąganych przy tych piętrzeniach prędkościach przepływu i stosowaniu znanych technologii zagospodarowań energetycznych, zmusza do podwyższającej koszty gabarytowej rozbudowy maszyn i powoduje, że wraz z towarzyszącymi wysokimi kosztami zabudowy hydrotechnicznej wykorzystywanie hydrozasobów zmagazynowanych w piętrzeniach najniższych przy stosowaniu tradycyjnych technologii staje się nieopłacalne a poziom nieopłacalności wzrasta wraz ze zmniejszaniem się piętrzeń.

Znaczna - bo prawie połowa - energii słonecznej zawarta w hydrozasobach o piętrzeniach poniżej 2 m, zachęca do poszukiwania tanich, ekonomicznie skutecznych rozwiązań technologicznych do wykorzystania tej części zasobów.

Rekomendowane obecnie do wykorzystywania zasobów niskospadowych rozwiązania zwane śrubami Archimedesa cechuje naturalna - z wymienionych wyżej powodów - niska przepustowość Q. Rozwiązania charakteryzują się więc wydatną rozbudową gabarytów. Te z kolei warunkują niskie prędkości obrotowe wirników, co przy ich wiązaniu do współpracy z generatorami elektrycznymi zmusza do stosowania drogich, pośredniczących przełożeń przyśpieszających, lub tak samo drogich wolnoobrotowych, wielobiegunowych generatorów. Ogranicza to w sumarycznej konsekwencji opłacalność zagospodarowania tym sposobem obiektów niskospadowych.

Nowsze propozycje rozwiązań - w postaci turbogeneratorów nazywanych VLH - także nie wypełniają oczekiwań. Niskie - przy rozbudowanych gabarytach wirnika - prędkości obrotowe, oraz skomplikowana technologicznie konstrukcja podraża ich relatywne koszty zastosowania, nie dając ekonomicznego uzasadnienia do wykorzystywania przy piętrzeniach najniższych.

Także tradycyjne rozwiązania z kołami wodnymi, od wieków stosowane do tej części zasobów (przykładowo patenty: CA1167739 A i CN102304911 A), mają w wykonywanych konstrukcjach, z racji swojej zabudowy i warunkujących odbiór energii strumienia prędkości, małą przepustowość Q co powoduje w zastosowaniu konieczność kreowania ich znacznych gabarytów, generując niedogodności o konsekwencjach techniczno-ekonomicznych opisanych wyżej.

Wad takich nie posiada rozwiązanie turbiny według przedstawionego wynalazku w którym dolna część obwodu (D) jej wirnika jest obniżona względem progu jazu, w zagłębieniu płyty jazu o wysokość (c) w granicach: 0,25h_max<c<0,5h_max, zaś w części przedniej zagłębienia, wzdłuż całej szerokości (B), między płytą jazu a powierzchnią obwodu (D) wirnika utworzony jest odstęp (s) o wymiarze promieniowym w granicach: 0,4h_max<s<0,6h_max, z jednoczesnym zachowaniem wysokości (m) ułopatkowania koła w granicach 0,9h_max<m<1,1_max.

Jest to turbina z wirnikiem otwartym w postaci koła wodnego umieszczonym w kanale przepływowym o specjalnej geometrii. Turbina składa się z nastawialnej kierownicy, w postaci uprofilowanej szczeliny o wysokości h utworzonej między progiem płyty jazu 1 a krawędzią 2 dolnej części zastawki regulacyjnej 3 oraz wirnika 4, uformowanego w postaci koła wodnego o średnicy D umieszczonego po stronie dolnej wody, z dolną częścią ułopatkowanego obwodu D ulokowaną w obszarze największych prędkości przepływu, w specjalnym obniżeniu 5 płyty jazu. Korzystna szerokość wirnika 4 jest równa szerokości B zastawki. Regulacyjność kierownicy uzyskuje się zmianą wysokości uniesienia h uprofilowanej krawędzi dolnej 2 zastawki 3 nad progiem płyty jazu 1. Zależna od chwilowej zasobności energetycznej rzeki wysokość h zawiera się między minimalnym otwarciem zastawki gwarantującym przepływ biologiczny rzeki a wysokością h_max, która pozwala utrzymać bezpieczny poziom wody górnej na piętrzeniu przy maksymalnych eksploatacyjnie realizowanych natężeniach przepływu. Maksymalną wysokość hmax, różną w zagospodarowywanych obiektach przyjęto jako parametr, określający charakterystyczne wymiary gabarytowe rozwiązania warunkujące uzyskanie jakościowej zmiany jego przepustowości do wartości, której nie można osiągnąć w rozwiązaniach znanych. Wymiarami tymi są:

Wysokość ułopatkowania m koła zawierająca się w granicach: 0,9h_max<m<1,1h_max, wysokość c obniżenia dolnej części obwodu D wirnika względem progu jazu korzystnie w granicach:

PL 227 143 B1 c = 0,25h_max^0,5h_max, i wielkość s odsądzenia - utworzonego na wlotowej części obniżonego obwodu wzdłuż całej szerokości B, między ograniczającym przepływ konturem płyty jazu a walcową powierzchnią o średnicy D wirnika - mającego wymiar promieniowy s = 0,4h_max^0,6h_max.

Przykładowe rozwiązanie według propozycji przedstawiają rysunki: fig. 1, gdzie pokazano osiowy przekrój pionowy rozwiązania w pozycji pracy a fig. 2 - rzut rozwiązania widziany z góry.

Wirnik 4 podnoszony w pionowych prowadnicach 6, podparty obrotowo w oprawach łożyskowych 7, umieszczono za spełniającą rolę kierownicy regulowaną szczeliną wylotową zastawki 3. Dolną część jego ułopatkowanego obwodu ulokowano w obszarze najwyższych prędkości przepływu. Szerokość wirnika jest ograniczona tarczami czołowymi 9 i jest równa szerokości B zastawki. Podnoszenie wirnika ma umożliwić - w razie konieczności - usunięcie go z przekroju przepływu. Możliwość regulacji natężenia przepływu wody przepuszczanej przez przekrój piętrzenia realizuje się poprzez zmianę wysokości h położenia dolnej krawędzi 2 zastawki nad progiem płyty jazu 1. Pokazana na fig. 1, regulacyjna wielkość h może być powiększona do h^_x.

Wirnik 4 jest obniżony dolną częścią obwodu D względem progu jazu 1 o wysokość c. W części przedniej obniżenia - na całej szerokości B - utworzono między obwodem D wirnika a powierzchnią płyty jazu przestrzenny odstęp o wymiarze promieniowym s. Łopatki wirnika posadowiono skośnie na powierzchni d bębna wirnika. Wynikająca z liczby łopatek wirnika podziałka t na średnicy bębna, nie powinna przekraczać wartości h_max. Zukosowanie łopatki względem tworzących bębna zrealizowano w obrębie łuku jednej podziałki. Wysokość ułopatkowania koła m zawiera się w granicach 0,9h_max<m<1,1h_max. Korzystnie minimalizowany wymiar średnicy bębna d, pozwala w przykładowym rozwiązaniu na umieszczenie wewnątrz bębna wirnika generatora 8, wiążąc jego stojan z wirującym bębnem. Uszczelnienie odwodne przestrzeni wewnętrznej w której osadzono generator wykonano wewnątrz osi 10 koła, którędy także w osiowym drążeniu wyprowadzono przewody elektryczne. W dalszej części trasy wyprowadzenia mocy może być zastosowany zależnie od potrzeby; bądź be zpośredni odbiornik np. w postaci opornika, bądź zespół prostownikowo-falownikowy przekazujący energię do sieci niskonapięciowej. Przez takie skojarzenie wymiarowe uzyskuje się poszukiwane, istotne zwiększenie przepustowości masy wody przez turbinę, dające możliwość równie istotnego zmniejszenia gabarytów konstrukcji z zachowaniem jej wysokiej sztywności oraz zwiększoną prędkość obrotową koła wodnego. Uzyskane cechy wynalazku, dają skompresowane gabaryty utworu z jednoczesnym powiększeniem jego mocy a przy utrzymanej prostej konstrukcji udostępniają tańszą technologię odzysku energii z hydrozasobów niskospadowych.

Claims (1)

1. Turbina wodna składająca się z: kierownicy utworzonej przez próg płyty jazu i ruchomą krawędź dolnej części zastawki regulacyjnej, oraz wirnika - w postaci koła wodnego ze skośnie zakomponowanymi łopatkami, umieszczonego w zagłębieniu po stronie dolnej wody, z dolną częścią ułopatkowanego obwodu ulokowaną w obszarze największych prędkości przepływu, znamienna tym, że dolna część obwodu (D) wirnika (4) jest obniżona względem progu jazu (1) w zagłębieniu (5) płyty jazu o wysokość (c) w granicach: 0,25h_max<c<0,5_max, zaś w części przedniej zagłębienia (5), wzdłuż całej szerokości (B), między płytą jazu (1) a powierzchnią obwodu (D) wirnika (4) utworzony jest odstęp (s) o wymiarze promieniowym w granicach: 0,4h_max<s<0,6h_max, z jednoczesnym zachowaniem wysokości (m) ułopatkowania koła w granicach 0,9h_max<m<1,1h_max.